Elektronik cihazlarda elektrik akışını kontrol eden transistörler, uzun yıllardır ağırlıklı olarak silikondan üretiliyor. Ancak galyum nitrat (GaN), daha küçük ve daha verimli güç elektroniği bileşenlerinin geliştirilmesine olanak sağlaması nedeniyle özellikle hızlı şarj cihazları ve yüksek verimli güç sistemlerinde giderek daha fazla kullanılıyor. Buna karşın GaN teknolojisinin önemli bir sınırı bulunuyor.
Gerilim çok yüksek seviyelere çıktığında transistörün belirli noktalarında elektrik alanları yoğunlaşabiliyor. Bu durum, cihazın erken arızalanmasına ve GaN tabanlı transistörlerin yüksek gerilim uygulamalarında silikonun gerisinde kalmasına neden oluyor. 4000 Volt'ta bozulmadan çalışabiliyor İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan'daki (EPFL) POWERlab araştırmacıları, bu sorunu aşmak için intrinsic polarization superjunction (iPSJ) adı verilen yeni bir GaN transistör mimarisi geliştirdi.
Çip boyutundaki yeni cihaz, düşük maliyetli bir silikon taban üzerine yerleştirilen GaN katmanlarından oluşuyor ve yaklaşık 4 kV (4.000 Volt) gerilime ulaşmadan önce bozulmadan çalışabiliyor. Bu değer, ticari GaN güç transistörlerinin genellikle yaklaşık 600-650 Volt seviyesinde bozulmaya başlamasıyla karşılaştırıldığında önemli bir ilerleme anlamına geliyor. EPFL'nin geliştirdiği yapı böylece mevcut ticari GaN cihazlarının dayanabildiği gerilimin beş katından fazlasına ulaşabiliyor.
GaN'deki doğal özellik avantaja dönüştürüldü Araştırmacıların geliştirdiği sistemin temelinde, GaN'ın kristal yapısından kaynaklanan doğal polarizasyon özelliği bulunuyor. Bu özellik, malzemenin içerisinde elektriği taşıyan ince elektron tabakalarının oluşmasını sağlıyor. Geleneksel GaN transistörlerinde cihaz kapatıldığında elektronların akım yolundan uzaklaşması, geride pozitif yüklerin kalmasına neden olabiliyor.
Ortaya çıkan yük dengesizliği, elektrik alanının transistörün belirli bir noktasında yoğunlaşmasına ve yüksek gerilim altında kırılmaya yol açabiliyor. EPFL ekibi ise GaN katmanlarının kalınlığını ve yapısını dikkatli şekilde ayarlayarak elektron tabakasının yanında doğal olarak pozitif yüklü ikinci bir tabaka oluşturdu. Böylece pozitif ve negatif yüklerin birbirini dengelemesi sağlandı.
Bu dengeleme sayesinde transistör kapatıldığında elektrik alanı tek bir noktada yoğunlaşmak yerine cihaz boyunca daha homojen biçimde dağılıyor. Bu da yüksek gerilim altında oluşabilecek ani kırılma riskini azaltıyor. Kimyasal katkılama ihtiyacı da ortadan kalkıyor Yeni tasarımın bir diğer önemli özelliği ise geleneksel güç transistörlerinde kullanılan kimyasal katkılama (doping) işlemine ihtiyaç duymaması.
EPFL araştırmacılarına göre doping ile yük dengeleme yöntemi sıcaklığa oldukça duyarlı olabiliyor. iPSJ yaklaşımında ise yük dengesi malzemenin doğal polarizasyon özelliklerinden yararlanılarak sağlandığı için yüksek sıcaklıklarda daha kararlı bir yapı elde edilebiliyor. POWERlab başkanı Elison Matioli, yaklaşımın GaN'ın doğal polarizasyon etkisinden yararlanarak daha küçük boyutlarda yüksek gerilimlere dayanabilen ve verimli güç elektroniği geliştirilmesinin önünü açabileceğini belirtiyor. Elektrikli araçlar ve güç sistemleri için büyük önem taşıyor Yüksek gerilime dayanırken düşük elektrik direncini koruyabilmek, güç elektroniği açısından kritik önem taşıyor.
Çünkü düşük direnç, enerji kayıplarını ve bileşenlerde oluşan ısıyı azaltıyor. Bu nedenle yeni GaN teknolojisinin elektrikli araçlar, yapay zeka veri merkezleri, yenilenebilir enerji sistemleri ve endüstriyel güç sistemleri gibi yüksek güç gerektiren alanlarda potansiyel kullanım alanları bulunuyor. EPFL araştırmacıları ayrıca güç elektroniğinde birden fazla iletim kanalı kullanarak akımı daha geniş bir alana dağıtan ve direnci azaltan başka bir yaklaşım üzerinde de çalışıyor.
Ekip, gelecekte bu yöntemi iPSJ mimarisiyle birleştirerek yüksek gerilim dayanımı ile düşük elektrik direncini aynı cihazda daha ileri seviyeye taşımayı hedefliyor. Bu çalışma henüz GaN'ın ticari güç elektroniğinde silikonu tamamen geride bıraktığı anlamına gelmiyor. Ancak yaklaşık 4 kV'luk dayanım, GaN'ın şimdiye kadar zorlandığı yüksek gerilim uygulamalarına geçişi açısından dikkat çekici bir teknik eşik oluşturuyor.
